EP1079964B1 - Verfahren zur erzeugung von gradientenindex-brechzahlprofilen in polymeren optischen fasern - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von gradientenindex-brechzahlprofilen in polymeren optischen fasern Download PDF

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EP1079964B1
EP1079964B1 EP99924856A EP99924856A EP1079964B1 EP 1079964 B1 EP1079964 B1 EP 1079964B1 EP 99924856 A EP99924856 A EP 99924856A EP 99924856 A EP99924856 A EP 99924856A EP 1079964 B1 EP1079964 B1 EP 1079964B1
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EP
European Patent Office
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fibre
preform
fiber
process according
refractive index
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EP99924856A
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Werner Frank
Jürgen KAUFHOLD
Olaf Ziemann
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Deutsche Telekom AG
Original Assignee
Deutsche Telekom AG
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02033—Core or cladding made from organic material, e.g. polymeric material
    • G02B6/02038—Core or cladding made from organic material, e.g. polymeric material with core or cladding having graded refractive index
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00663—Production of light guides
    • B29D11/00682—Production of light guides with a refractive index gradient
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00663—Production of light guides
    • B29D11/00721—Production of light guides involving preforms for the manufacture of light guides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/04—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of organic materials, e.g. plastics
    • G02B1/045—Light guides

Definitions

  • the invention relates to a method for generating Gradient index refractive index profiles in polymer optical Fibers.
  • optical fibers made of quartz glass fibers Optical signal transmission is common practice in today Telecommunications. Apart from the material specifications and the numerical aperture are the transmission properties and the transmission quality is generally significantly different from that radially symmetrical refractive index curve determined in the fiber core. Characteristic transmission characteristics are that Fiber attenuation, the material and mode dispersion, the Transmission rate or the bandwidth-length product (like shown for example in: John M. Senior: Optical Fiber Communications, Second Edition; Prentice Hall international series in optoelectronics, 1992).
  • Multi-mode gradient index fibers have an axially symmetrical one parabolic refractive index curve.
  • the diameter of the fiber core is usually 50 ⁇ m.
  • standard Single-mode step index fibers in the core area a step-shaped Refractive index curve with a field diameter in the core of normally 9 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the usual one used The total diameter of both fiber types is 125 ⁇ m.
  • a decisive factor for the good transmission properties of these fibers is the mode dispersion, which is greatly reduced due to the chosen refractive index profile, as a result of which the interlocking or overlapping of the signals, which can be ascertained over long transmission distances, is considerably reduced.
  • only one mode can be propagated in a single-mode fiber, which accordingly has excellent transmission properties.
  • polymer optical fibers are also used for optical signal transmission.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the currently usable transmission wavelengths are in the visible spectral range.
  • the main disadvantages of polymer optical fibers PMMA lie in the material-related high damping of approx. 150 dB / km at the commonly used transmission wavelength of 650 nm and the fact that it is currently commercial only available fiber type as a result of the pure Step index profile has a very large mode dispersion.
  • the step index profile of a polymeric optical fiber shows a constant over almost the entire fiber diameter Refractive index profile. Hence the possible transfer rate relatively low and it also depends significantly on the Coupling conditions.
  • As practically feasible for the interesting data rate for example 125 Mbit / s can be used for a transmission distance of approx. 100 m be considered.
  • the bandwidth-length product is used for about 25 m fiber length calculated with 1.5 MHz ⁇ km and with 5 MHz ⁇ km to 6 MHz ⁇ km measured.
  • polymeric optical fibers made of PMMA are used especially in Area of machine control with low transmission rates used as well as in the field of sensors, robotronics and for simple lighting systems.
  • Automotive use of the more temperature-stable Polycarbonate fiber discussed.
  • polymeric optical fibers on short Stretch, d. H. on the so-called “last 100 m to the house”, “in the house”, or in the area of office communication (local area network LAN).
  • PMMA fibers which have a fiber core with a gradient refractive index profile. It is known to try to build up the desired parabolic refractive index profile by the so-called "interfacial gel copolymerization". The different diffusion rates of various monomeric PMMA derivatives are used to produce a preform. PMMA fibers produced in this way with a parabolic refractive index curve and with a core diameter of 600 ⁇ m are not yet commercially available. However, they are characterized by significantly higher data transmission rates and good attenuation values. However, the processing speed is very slow due to the speed of the diffusion. Since the substances to be diffused always penetrate from the outside, i.e. the outer surface of the fiber, the shape of the refractive index profile is clearly limited.
  • the Task to provide a method that makes it simple It is possible to use a polymeric optical fiber with a Defined refractive index curve with the highest possible Processing speed and as large as possible Flexibility in the design of the refractive index profile too produce.
  • This task is characterized by the characteristics of the Claim 1 solved.
  • ionizing Radiation chemical-physical changes in the material a polymeric optical fiber that triggers the refractive index in change the polymeric optical fiber so that along the entire fiber length, preferably in the core area uniform radial gradient index refractive index profile perpendicular to the longitudinal axis of the polymeric optical fiber established.
  • the method is also suitable for The refractive index profile of the fiber cladding is also required to change.
  • instead of the polymer optical fiber can also be irradiated with a fiber preform.
  • fiber core preform As well it is possible to use the later designed as a preform Fiber core (hereinafter, for simplicity, "fiber core preform” to be irradiated alone when used for Fiber production a so-called “rod-in-tube” process is chosen.
  • the polymeric optical fiber, the preform or the fiber core preform is irradiated with the ionizing radiation at least once in the longitudinal direction during the feed.
  • the irradiation must be rotationally symmetrical so that a uniform, radial gradient index refractive index profile is actually achieved.
  • the change in the refractive index caused by the radiation produces the correct refractive index profile if the type and duration of the ionizing radiation are suitable.
  • Annealing holding the polymeric optical fiber, the preform or the fiber core preform at a specific temperature higher than the use temperature for a predetermined time) finally optimizes the refractive index profile so that the desired uniform radial gradient index refractive index profile is formed ,
  • the rotationally symmetrical radiation is according to claim 2 thereby achieved that either the polymeric optical fiber, the Preform or the fiber core preform a rotating movement makes a predetermined angle about the central fiber axis or that the system of optical elements, together with a or several radiation sources at a predetermined angle rotates around the central fiber axis.
  • Claim 3 describes the design of the method Use of electromagnetic radiation (for example UV light, X-rays or gamma radiation, etc.) as ionizing Radiation.
  • electromagnetic radiation for example UV light, X-rays or gamma radiation, etc.
  • particle radiation is instead (e.g. electrons, positrons, heavy ions, etc.) used.
  • optical elements can be reflective surfaces, lenses, cylindrical lenses or diaphragms.
  • Claims 9 to 12 show further developments of the invention, in which the nature, the speed and the course of the refractive index change and its attenuation are influenced by various additives to the starting material of the fiber.
  • Additives can also be used to influence the wavelength or the effect of the particle type of the ionizing radiation required for changing the refractive index.
  • certain additives can be used to cause visible light to trigger a change in the refractive index.
  • active and passive control elements can be built into the fiber using special additives.
  • the course of the refractive index n over the cross section of a POF 1 is shown schematically in FIGS. 1a and 1b.
  • the refractive index along any line parallel to the longitudinal axis of the POF 1 is constant.
  • the simplest type of fiber has a so-called step index refractive index profile, as shown in FIG. 1a.
  • the POF 1 with the core radius a and the total radius b consists of two layers concentrically around the fiber core with the different refractive indices n 1 and n 2 .
  • the refractive index n is plotted over the distance r from the zero point 0 of the fiber center axis.
  • the core of the POF 1 with the radius a consists of a plastic with the refractive index n 1 .
  • the fiber cladding a ⁇ r b b has a refractive index n 2 , the refractive index n 1 being greater than n 2 .
  • the light propagation takes place within the core with the refractive index n 1 .
  • the smaller the radius of the fiber core a the fewer modes of light of one wavelength can be guided through the fiber. In the optimal limit, only one mode of one wavelength can pass through the optical fiber.
  • Polymer optical fibers with a common core diameter of ⁇ 1 mm are far from this ideal case.
  • On signal-relevant signal has a certain spectral signal width and therefore consists of several Wavelengths, each in multiple modes is spreadable. But since the different wavelengths in their spreadable modes due to the different optical paths at different speeds the original form of the Signals already on relatively short transmission paths and makes separation impossible at an early stage.
  • FIG. 1b A parabolic refractive index profile is shown in FIG. 1b as an example.
  • the POF 1 has a fiber cladding with a refractive index n 2 .
  • the core of POF 1 no longer has a uniform refractive index. Instead, it falls parabolically from a refractive index n max in the middle of the fiber within the range 0 bis r a a to the value n 2 .
  • Such a refractive index gradient has the property that it breaks the different modes to the fiber center to different degrees. As a result, the runtime differences of the modes are largely compensated for, the signals do not broaden so quickly and the effective range of the signal transmission increases considerably.
  • the method according to the invention has the purpose of those above described gradient index refractive index profiles in the polymer optical fiber, in a polymeric preform or Easy and variable to produce fiber core preform.
  • FIG. 2 A structure is sketched in FIG. 2, on the basis of which the The inventive method is explained in more detail by way of example. It shows a POF 1 with a fiber central axis 7, one Radiation source 5, a mirror 7, and a sleeve 2 with a window 4.
  • the POF 1 is through the radiation source 5 exposed to ionizing radiation in this variant the process is homogeneous, for focusing on the Fiber center axis 7 particularly favorable, radiation characteristic should have.
  • the radiation source 5 can be a UV lamp his.
  • the POF preferably consists of polymethyl methacrylate (PMMA), the effective wavelength range begins at Wavelengths of ⁇ ⁇ 380 nm, since here the UV absorption edge is reached by PMMA and the radiation in this area most suitably changed the chemical-physical structure.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the effective wavelength range begins at Wavelengths of ⁇ ⁇ 380 nm, since here the UV absorption edge is reached by PMMA and the radiation in this area most suitably changed the chemical-physical structure.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • particle radiation for example Electrons, positrons, etc.
  • the radiation stands u. a. in the form of radioactive Preparations are available and could be done through, for example Exposure to suitable electrical or magnetic fields Form to be focused on the POF 1.
  • the ionizing radiation of the radiation source 5 must now be on the POF 1 are directed that an inhomogeneous distribution in radial direction of the radiation intensity in the POF 1 is achieved.
  • this is the ionizing one Radiation focused on the fiber central axis 7 of the POF 1, see above that the change in refractive index is greatest there.
  • To the edge of the POF 1 takes the refractive index, as in Figure 1b shown, from.
  • the focus is in this example with the help of the mirror 3, which ideally, for example parabolic or elliptical about the fiber central axis 7 of the POF 1 is curved.
  • the fiber center axis 7 of the POF 1 must be are exactly on the focal line of the mirror 3.
  • the POF 1 and / or the mirror 3 by at least rotate a certain angle around the longitudinal axis of the POF 1.
  • the angle is determined from the geometry of the Mirror 3. With a rotation angle of 180 ° and larger achieved uniform radiation.
  • further mirrors 3 and further radiation sources 5 for uniform radiation from all sides of the POF 1 to use.
  • an annular Radiation source is used.
  • Guiding the POF 1 parallel to the fiber axis serves the sleeve 2, in which the window 4 is introduced. According to the invention cantilever fiber guidance also closer to that in Figure 4 described form.
  • the entire POF 1 is in the direction of the radiation Longitudinal axis through the system mirror 3, radiation source 5 and Pulled sleeve 2. This ensures that the refractive index along the fiber central axis 7 of the POF 1 remains constant.
  • the Pulling speed is adapted to the respective time is necessary to change the desired refractive index to reach.
  • the arrangement has the advantage that by change the shape of the mirror 3, the distribution of the radiation intensity in POF 1 and thus the course of the refractive index profile can be controlled.
  • the course of the process can be increased by sensitizing additives be accelerated or slowed down, which is an additional chemical and / or physical change in POF 1 during of radiation.
  • sensitizing additives be accelerated or slowed down, which is an additional chemical and / or physical change in POF 1 during of radiation.
  • these substances during the manufacture of the fiber, preform or Fiber core preform by mixing the starting materials or can be introduced subsequently by diffusion. It is the same possible, through the amount and distribution of additives, the course of the To influence the refractive index profile or the damping.
  • the POF 1 will remain for a certain time annealed so that there is a stable refractive index profile over time can adjust. This can be done, for example, by stopping at a certain temperature (higher than the usage temperature) done, a process that is often already part of the Manufacturing process.
  • the method according to the invention is thus characterized by a easy to use due to flexibility in the choice of Refractive index profile and in that one at least partially continuous process management is conceivable.
  • a method variant is shown in FIG at least one focusing unit 6, preferably a lens, is used for radiation focusing.
  • the POF 1 rotates in rotationally symmetrical radiation Longitudinal fiber direction around the central fiber axis 7.
  • the focusing unit around the The fiber center axis 7 rotates, the radiation source being synchronous can be carried with.
  • Figure 4 shows schematically an advantageous constructive Embodiment of the invention through the use of several Cylindrical lenses 10, 10 '.
  • the POF 1 over the distance d by two circular disks 8, 8 'with corresponding ones concentric openings 9, 9 'with the smallest possible tolerance freely led.
  • the position of the cylindrical lenses 10, 10 ' is determined by retaining webs 11 to 11 '' 'secured, which also serve as an adjustment device can.
  • the cylindrical lenses 10, 10 ' rotate synchronously with the rod-shaped radiation sources 12, 12 'preferably around the Fiber center axis 7 of the POF 1, whereby the desired Refractive index profile is formed.
  • This method is suitable especially good for UV light.
  • FIG. 5 shows a method variant that is suitable for a Gradient index refractive index profile in a POF 1 through use of x-ray or gamma radiation.
  • the for example from several high-energy radiation sources 13, 13 ', 13 "outgoing radiation is here by a appropriate number of apertures 14, 14 'and 14' 'more suitable Geometry led to a corresponding number of narrow Hide beams 15, 15 'and 15' 'and place them radially in Radiate direction on the fiber central axis 7.
  • At the Interface of the beam 16 is increased by the Radiation intensity produces an increase in refractive index.
  • the POF 1 is in the direction of its longitudinal axis during irradiation moved forward. Rotate here to achieve the required high-energy refractive index profile Radiation sources 13, 13 ', 13' 'with the diaphragms 14, 14' and 14 '' preferably around the fiber central axis 7 of the POF 1.
  • non-polymeric materials can also be read (e.g. glass) in the manner described provided a change in the refractive index due to ionizing radiation can be caused.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Gradientenindex-Brechzahlprofilen in polymeren optischen Fasern.
Die Verwendung von Lichtwellenleitern aus Quarzglasfasern zur optischen Signalübertragung ist heute gängige Praxis in der Nachrichtentechnik. Abgesehen von den Materialvorgaben und der numerischen Apertur werden dabei die Übertragungseigenschaften und die Übertragungsqualität wesentlich von dem in der Regel radialsymmetrischen Brechzahlverlauf im Faserkern bestimmt. Kennzeichnende Übertragungseigenschaften sind, die Faserdämpfung, die Material- und Modendispersion, die Übertragungsrate bzw. das Bandbreiten-Längen-Produkt (wie beispielsweise dargestellt in: John M. Senior : Optical Fiber Communications, Second Edition; Prentice Hall international series in optoelectronics, 1992).
Zur Zeit werden in der Praxis für die Nachrichtenübertragung neben den sogenannten Mehrmoden-Gradientenindexfasern überwiegend Einmoden-Stufenindexfasern verwendet. Standard Mehrmoden-Gradientenindexfasern haben einen axialsymmetrischen parabolischen Brechzahlverlauf. Der Durchmesser des Faserkerns beträgt üblicherweise 50 µm. Demgegenüber besitzen Standard Einmoden-Stufenindexfasern im Kernbereich einen stufenförmigen Brechzahlverlauf bei einem Felddurchmesser im Kern von normalerweise 9 µm bis 10 µm. Der übliche verwendete Gesamtdurchmesser beider Fasertypen beträgt 125 µm.
Ein entscheidender Faktor für die guten Übertragungseigenschaften dieser Fasern ist die auf Grund des gewählten Brechzahlprofils stark verringerte Modendispersion, wodurch das bei großen Übertragungsstrecken feststellbare Ineinanderlaufen bzw. Überlappen der Signale erheblich reduziert wird. In einer Einmodenfaser ist im Idealfall nur eine Mode ausbreitungsfähig, die dementsprechend hervorragende Übertragungseigenschaften besitzt.
Neben den Fasern auf Quarzglasbasis werden auch polymere Lichtwellenleiter zur optischen Signalübertragung verwendet. (zum Stand der Entwicklung vergleiche: O. Zieman: Grundlagen und Anwendungen optischer Polymerfasern, Der Fernmeldeingenieur, 50 , Heft 11/12, 1996). Favorisierte Materialien sind zur Zeit neben Fasern aus Polykarbonat, Polystyrol und Polyvinylchlorid ganz überwiegend Fasern aus Polymethylmethacrylat (im folgenden mit PMMA abgekürzt). Die Vorteile der PMMA-Fasern, die einen Standarddurchmesser von 1 mm haben, sind neben den vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten, ihre einfachen Handhabung bei der Herstellung von Verbindungen (Stecker, Spleiße) und beim Aufbau von Verzweigungs- und Kopplungselementen sowie der einfachen Endflächenbehandlung und ihre geringe Empfindlichkeit gegenüber äußeren mechanischen, physikalischen und Umwelteinflüssen. Die gegenwärtig nutzbaren Übertragungswellenlängen liegen im sichtbaren Spektralbereich.
Die folgenden Betrachtungen beziehen sich beispielhaft auf polymere optische Fasern aus PMMA, gelten aber sinngemäß auch für andere polymere Lichtwellenleiter.
Die hauptsächlichen Nachteile polymerer optischer Fasern aus PMMA liegen in der materialbedingten hohen Dämpfung von ca. 150 dB/km bei der häufig verwendeten Übertragungswellenlänge von 650 nm sowie der Tatsache, daß der gegenwärtig kommerziell allein verfügbare Fasertyp als Folge des reinen Stufenindexprofils eine sehr große Modendispersion aufweist. Das Stufenindexprofil einer polymeren optischen Faser zeigt über nahezu den gesamten Faserdurchmesser einen konstanten Brechzahlverlauf. Daher ist die mögliche Übertragungsrate relativ gering und sie hängt auch deutlich von den Einkoppelbedingungen ab. Als praktisch realisierbar für die nachrichtentechnisch interessante Datenrate von beispielsweise 125 Mbit/s kann eine Übertragungsstrecke von ca. 100 m angesehen werden. Das Bandbreiten-Längen-Produkt wird für etwa 25 m Faserlänge mit 1,5 MHz·km berechnet und mit 5 MHz·km bis 6 MHz·km gemessen.
Zur Zeit werden polymere optische Fasern aus PMMA besonders im Bereich der Maschinensteuerung mit niedrigen Übertragungsraten eingesetzt sowie im Bereich der Sensorik, der Robotronik und für einfache Beleuchtungssysteme. Als weitere Anwendung wird im Kraftfahrzeugsbereich der Einsatz der temperaturstabileren Polykarbonatfaser diskutiert. Darüber hinaus besteht ein erhebliches Interesse, polymere optische Fasern auf kurzen Strecken, d. h. auf den sogenannten "letzten 100 m zum Haus" , "im Haus", beziehungsweise im Bereich der Bürokommunikation (local area network = LAN) einzusetzen.
Zur Verbesserung der Übertragungseigenschaften und damit zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten der polymeren optischen Fasern, gibt es intensive Bemühungen, PMMA Fasern herzustellen, die einen Faserkern mit einem Gradientenbrechzahlprofil besitzen. Bekannt ist der Versuch, das gewünschte parabolische Brechzahlprofil durch die sogenannte "interfacialgel-copolymersation" aufzubauen. Zur Herstellung einer Vorform wird die unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeit verschiedener monomerer PMMA Derivate ausgenutzt. Auf diese Weise hergestellte PMMA Fasern mit einem parabolischen Brechzahlverlauf und mit einem Kerndurchmesser von 600 µm sind kommerziell noch nicht verfügbar. Sie zeichnen sich jedoch durch deutlich erhöhte Datenübertragungsraten und gute Dämpfungswerte aus.
Allerdings ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit, bedingt durch die Geschwindigkeit der Diffusion, doch sehr langsam. Da die einzudiffundierenden Stoffe immer von Außen, also der Mantelfläche der Faser, eindringen, ist man hinsichtlich der Form des Brechungsindexprofils deutlich eingeschränkt.
Andererseits ist bekannt (siehe: W. F. X. Frank et al.: Optical Waveguides in Polymer Materials by Ion Implantation, SPIE Vol. 1559 (1991) 344-353), daß mit Hilfe ionisierender Strahlung die Brechzahl von Polymeren verändert werden kann.
Ausgehend von den geschilderten Problemen stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem es auf einfache Weise möglich ist, eine polymere optische Faser mit einem definierten Brechzahlverlauf bei möglichst hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit und bei möglichst großer Flexibilität in der Gestaltung des Brechzahlprofils zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden durch ionisierende Strahlung chemisch-physikalische Veränderungen im Material einer polymeren optischen Faser ausgelöst, die die Brechzahl in der polymeren optischen Faser so verändern, daß sich entlang der gesamten Faserlänge, vorzugsweise im Kernbereich, ein einheitliches radiales Gradientenindex-Brechzahlprofil senkrecht zur Längsachse der polymeren optischen Faser einstellt. Das Verfahren ist darüber hinaus geeignet, bei Bedarf zusätzlich das Brechzahlprofil des Fasermantels gezielt zu verändern. Erfindungsgemäß kann anstelle der polymeren optischen Faser auch eine Faservorform bestrahlt werden. Ebenso ist es möglich, den als Vorform ausgestalteten späteren Faserkern (im folgenden aus Vereinfachungsgründen "Faserkern-Vorform" genannt) allein zu bestrahlen, wenn zur Faserherstellung ein sogenanntes "Stab-in-Rohr"-Verfahren gewählt wird. Hierbei wird die Faserkern-Vorform nach der Bestrahlung und gegebenenfalls nach einer Temperung in einen gleich langen als Fasermantelmaterial vorgesehenen Hohlzylinder paßgenau eingebracht und von dieser Vorform-Anordnung gemeinsam die Faser bei höherer Temperatur abgezogen.
Für die Veränderungen im Kernbereich wird die polymere optische Faser, die Vorform oder die Faserkern-Vorform, während des Vorschubs in Längsrichtung mindestens einmal mit der ionisierenden Strahlung bestrahlt. Die Bestrahlung muß dabei rotationssymmetrisch erfolgen, damit auch tatsächlich ein gleichförmiges, radiales Gradientenindex-Brechzahlprofil erzielt wird.
Die durch die Bestrahlung hervorgerufene Änderung der Brechzahl erzeugt bei geeigneter Art und Dauer der ionisierenden Strahlung das richtige Brechzahlprofil. Eine Temperung (das Halten der polymeren optischen Faser, der Vorform oder der Faserkern-Vorform auf einer bestimmten, höher als die Gebrauchstemperatur liegenden Temperatur, für eine vorgegebene Zeit) optimiert das Brechzahlprofil schließlich so, daß das gewünschte einheitliche, radiale Gradientenindex-Brechzahlprofil ausgebildet wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die rotationssymmetrische Bestrahlung wird nach Anspruch 2 dadurch erreicht, daß entweder die polymere optische Faser, die Vorform oder die Faserkern-Vorform eine rotierende Bewegung um einen vorbestimmten Winkel um die Fasermittelachse ausführt oder daß das System aus optischen Elementen, zusammen mit einer oder mehreren Strahlungsquellen um einen vorbestimmten Winkel um die Fasermittelachse rotiert.
Anspruch 3 beschreibt die Ausgestaltung des Verfahrens bei Verwendung von elektromagnetischer Strahlung (beispielsweise UV-Licht, Röntgen- oder Gammastrahlung usw.) als ionisierende Strahlung.
In Anspruch 4 wird statt dessen eine Partikelstrahlung (beispielsweise Elektronen, Positronen, schwere Ionen, usw.) eingesetzt.
Die Ausbildungen nach den Ansprüchen 5-8 zeigen, wie durch ein System aus optischen Elementen die gewünschte räumliche Verteilung der ionisierenden Strahlung in der Faser vorgegeben wird.
Diese optischen Elemente können reflektierende Oberflächen, Linsen, Zylinderlinsen oder Blenden sein.
Ansprüche 9 bis 12 zeigen weitere Ausbildungen der Erfindung, bei denen durch verschiedene Zusätze zum Ausgangsmaterial der Faser die Art, die Geschwindigkeit und der Verlauf der Brechzahländerung sowie deren Dämpfung beeinflußt wird. Ebenso kann durch Zusätze die Wellenlänge oder die Wirkung der Partikelart der zur Brechzahländerung benötigten ionisierenden Strahlung beeinflußt werden. So kann beispielsweise durch bestimmte Zusätze erreicht werden, daß sichtbares Licht eine Änderung der Brechzahl auslöst.
Außerdem können durch spezielle Zusätze aktive und passive Steuerelemente in die Faser eingebaut werden.
Anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen wird die erfindungsgemäße Lösung näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1a:
einen Querschnitt durch eine optische Faser mit einem Stufenindexprofil,
Figur 1b:
einen Querschnitt durch eine optische Faser mit einem Gradientenindexprofil,
Figur 2:
schematisch die Ausgestaltung des Verfahrens bei Verwendung eines Parabolspiegel als Beispiel für eine reflektierende und fokussierende Oberfläche,
Figur 3:
schematisch die Ausgestaltung des Verfahrens mit rotierender Faser und fokussiertem Strahl,
Figur 4:
schematisch eine Ausgestaltung des Verfahrens bei Verwendung mehrere Zylinderlinsen zur Strahlungsfokussierung und
Figur 5:
schematisch, wie mit einer Anordnung von mehreren Blenden eine entsprechende Anzahl von Strahlenbündeln auf den Faserkern gerichtet wird, um dort eine Erhöhung der Strahlungsintensität zu bewirken.
Zur Vereinfachung der Beschreibung ist im Folgenden bei Verwendung der Bezeichnung POF mit dem Bezugszeichen 1 nicht nur die polymer optische Faser als solche gemeint, sondern die Bezeichnung steht sinngemäß auch für die Verwendung einer Faser-Vorform oder einer Faserkern-Vorform.
In den Figuren 1a und 1b ist schematisch der Verlauf der Brechzahl n über den Querschnitt einer POF 1 dargestellt. Die Brechzahl entlang einer beliebigen Linie parallel zur Längsachse der POF 1 ist konstant. Der einfachste Fasertyp besitzt ein sogenanntes Stufenindex-Brechzahlprofil, wie es in Figur 1a dargestellt ist. Die POF 1 mit dem Kernradius a und dem Gesamtradius b, besteht in diesem Fall aus zwei konzentrisch um den Faserkern liegenden Schichten mit den unterschiedlichen Brechzahlen n1 und n2 . Aufgetragen ist die Brechzahl n über die Entfernung r vom Nullpunkt 0 der Fasermittelachse. Der Kern der POF 1 mit dem Radius a besteht aus einem Kunststoff mit der Brechzahl n1. Der Fasermantel a < r ≤ b hat die Brechzahl n2, wobei die Brechzahl n1 größer als n2 ist. Die Lichtausbreitung vollzieht sich innerhalb des Kerns mit der Brechzahl n1. Je kleiner der Radius des Faserkerns a ist, um so weniger Moden des Lichtes einer Wellenlänge können durch die Faser geführt werden. Im optimalen Grenzfall kann nur eine Mode einer Wellenlänge die optische Faser passieren.
Polymere optische Fasern mit einem üblichen Kerndurchmesser von ≈ 1 mm sind von diesem Idealfall weit entfernt. Ein nachrichtentechnisch relevantes Signal hat eine gewisse spektrale Signalbreite und besteht deshalb aus mehreren Wellenlängen, von denen jede in mehreren Moden ausbreitungsfähig ist. Da aber die verschiedenen Wellenlängen in ihren ausbreitungsfähigen Moden auf Grund der unterschiedlichen optischen Wege unterschiedlich schnell geführt werden, verbreitert sich die ursprüngliche Form der Signale bereits auf relativ kurzen Übertragungsstrecken und macht bereits frühzeitig eine Trennung unmöglich.
Dies läßt sich durch Einbringung eines Gradientenindex-Brechzahlprofils in den Faserkern verbessern. In Figur 1b ist als Beispiel ein parabolisch verlaufendes Brechzahlprofil dargestellt. Die POF 1 besitzt hier, wie in Figur 1a einen Fasermantel mit einer Brechzahl n2 . Der Kern der POF 1 hat keine einheitliche Brechzahl mehr. Statt dessen fällt er von einer Brechzahl nmax in der Fasermitte innerhalb des Bereichs 0 ≤ r ≤ a bis auf den Wert n2 parabelförmig ab. Ein derartiger Brechzahlgradient hat die Eigenschaft, daß er die verschiedenen Moden unterschiedlich stark zur Fasermitte hin bricht. Dadurch werden die Laufzeitunterschiede der Moden weitgehend ausgeglichen, die Signale verbreitern sich nicht so schnell und die effektive Reichweite der Signalübertragung steigt erheblich an.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Zweck, solche oben beschriebene Gradientenindex-Brechzahlprofile in der polymeren optischen Faser, in einer polymeren Vorform oder einer Faserkern-Vorform einfach und variabel zu erzeugen.
In Figur 2 ist ein Aufbau skizziert, anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft näher erläutert wird. Er zeigt eine POF 1 mit einer Fasermittelachse 7, eine Strahlungsquelle 5, einen Spiegel 7, sowie eine Hülse 2 mit einem Fenster 4. Die POF 1 wird durch die Strahlungsquelle 5 mit ionisierender Strahlung belichtet, die bei dieser Variante des Verfahrens eine homogene, für die Fokussierung auf die Fasermittelachse 7 besonders günstige, Abstrahlcharakteristik haben soll. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle 5 eine UV-Lampe sein. Besteht die POF bevorzugt aus Polymethylmethacrylat (PMMA), so beginnt der wirksame Wellenlängenbereich bei Wellenlängen von λ < 380 nm, da hier die UV-Absorptionskante von PMMA erreicht ist und die Strahlung in diesem Bereich die chemisch-physikalische Struktur am geeignetsten verändert. Für andere Materialien können auch andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums eingesetzt werden. Beispielsweise können durch Zusatz von photosensibilisierenden Stoffen die gewünschten Veränderungen in den Polymeren auch durch Licht des sichtbaren Spektralbereichs herbeigeführt werden.
Ebenso ist es möglich, Partikelstrahlung, beispielsweise Elektronen, Positronen, etc. als ionisierende Strahlung zu verwenden. Die Strahlung steht u. a. in Form radioaktiver Präparate zur Verfügung und könnte beispielsweise durch Einwirkung elektrischer oder magnetischer Felder in geeigneter Form auf die POF 1 fokussiert werden.
Die ionisierende Strahlung der Strahlenquelle 5 muß nun so auf die POF 1 gelenkt werden, daß eine inhomogene Verteilung in radialer Richtung der Strahlungsintensität in der POF 1 erreicht wird. Im einfachsten Fall wird hierzu die ionisierende Strahlung auf die Fasermittelachse 7 der POF 1 fokussiert, so daß dort die Brechzahländerung am größten ist. Zum Rand der POF 1 nimmt die Brechzahl, wie entsprechend in Figur 1b dargestellt, ab. Die Fokussierung erfolgt in diesem Beispiel mit Hilfe des Spiegels 3, der in idealer Weise beispielsweise parabolisch oder elliptisch um die Fasermittelachse 7 der POF 1 gekrümmt ist. Die Fasermittelachse 7 der POF 1 muß sich dabei genau auf der Brennlinie des Spiegels 3 befinden. Um dabei eine gleichmäßige, rotationssymmetrische Bestrahlung der zu erreichen, muß die POF 1 und/oder der Spiegel 3 um mindesten einen bestimmten Winkel um die Längsachse der POF 1 rotieren. Der Winkel bestimmt sich dabei aus der Geometrie des Spiegels 3. Bei einem Rotationswinkel von 180° und größer wird die gleichmäßige Bestrahlung erreicht. Es ist auch möglich weitere Spiegel 3 und weitere Strahlungsquellen 5 zur gleichmäßigen Bestrahlung von allen Seiten der POF 1 zu benutzen. Denkbar ist auch, daß eine ringförmige Strahlungsquelle zum Einsatz kommt. Zur möglichst exakten Führung der POF 1 parallel zur Faserachse dient die Hülse 2, in die das Fenster 4 eingebracht ist. Erfindungsgemäß kann eine freitragende Faserführung auch in der in Figur 4 näher beschriebenen Form erfolgen.
Die gesamte POF 1 wird während der Bestrahlung in Richtung der Längsachse durch das System Spiegel 3, Strahlungsquelle 5 und Hülse 2 gezogen. Dadurch wird erreicht , daß die Brechzahl entlang der Fasermittelachse 7 der POF 1 konstant bleibt. Die Ziehgeschwindigkeit wird an die jeweilige Zeit angepaßt, die notwendig ist, um die gewünschte Brechzahländerung zu erreichen. Die Anordnung hat den Vorteil, daß durch Änderung der Form des Spiegels 3 die Verteilung der Strahlungsintensität in der POF 1 und damit der Verlauf des Brechzahlprofils gesteuert werden kann.
Der Prozeßverlauf kann durch sensibilisierende Zusätze beschleunigt oder verlangsamt werden, die eine zusätzliche chemische und/oder physikalische Veränderung der POF 1 während der Bestrahlung bewirken. Beispielsweise können diese Stoffe während der Herstellung der Faser, der Vorform oder der Faserkern-Vorform durch Mischung der Ausgangsstoffe oder nachträglich durch Diffusion eingebracht werden. Ebenso ist es möglich, durch Menge und Verteilung der Zusätze den Verlauf des Brechzahlprofils bzw. die Dämpfung zu beeinflussen.
Darüber hinaus lassen sich durch spezielle optisch aktive Zusätze und/oder eine entsprechend gezielte Strahlungseinwirkung passive oder aktive Steuerungselemete in der POF 1 verwirklichen.
Nach der Bestrahlung wird die POF 1 eine gewisse Zeit getempert, damit sich ein zeitlich stabiles Brechzahlprofil einstellen kann. Das kann beispielsweise durch Halten bei einer bestimmten Temperatur (höher als die Gebrauchstemperatur) erfolgen, ein Vorgang, der häufig ohnehin Teil des Herstellungsprozesses ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich damit durch eine einfache Handhabbarkeit aus, durch Flexibilität in der Wahl des Brechzahlprofils und dadurch, daß eine zumindest teilweise kontinuierliche Verfahrensführung denkbar ist.
In Figur 3 ist eine Verfahrensvariante gezeigt, bei der mindestens eine Fokussiereinheit 6, vorzugsweise eine Linse, zur Strahlungsfokussierung verwendet wird. Hier wird die Strahlung der Strahlungsquelle 5 durch die Fokussiereinheit 6 punktförmig oder bei Verwendung einer Zylinderlinse strichförmig auf die Fokuslinie 7 fokussiert, die vorzugsweise mit der Fasermittelachse 7 übereinstimmt. Hier ist wiederum die Bestrahlungsstärke am größten und damit auch die Brechzahländerung. Zur Erzielung einer gleichmäßigen rotationssymmetrischen Bestrahlung rotiert die POF 1 in Faserlängsrichtung um die Fasermittelachse 7. Entsprechendes wird erreicht, wenn die Fokussiereinheit um die Fasermittelachse 7 rotiert, wobei die Strahlungsquelle synchron mit geführt werden kann.
Figur 4 zeigt schematisch eine vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung der Erfindung durch die Verwendung mehrerer Zylinderlinsen 10, 10'. Hier wird die POF 1 über die Distanz d durch zwei Kreisscheiben 8, 8' mit entsprechenden konzentrischen Öffnungen 9, 9' mit möglichst geringer Toleranz frei geführt. Auf der Peripherie sind mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere Zylinderlinsen 10, 10' angebracht. Die Position der Zylinderlinsen 10, 10' wird durch Haltestege 11 bis 11''' gesichert, die auch als Justiervorrichtung dienen können. Eine der Anzahl, den Zylinderlinsen 10,10' entsprechende Zahl, von möglichst stabförmigen Strahlungsquellen 12, 12' sind im gleichen Abstand zur Fasermittelachse 7 oberhalb der Zylinderlinsen 10,10' angebracht. Während sich die POF 1 parallel zu ihrer Fasermittelachse 7 vorwärts bewegt, rotieren die Zylinderlinsen 10,10' synchron mit den stabförmigen Strahlungsquellen 12,12' vorzugsweise um die Fasermittelachse 7 der POF 1, wodurch das gewünschte Brechzahlprofil gebildet wird. Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für UV-Licht.
Figur 5 zeigt eine Verfahrensvariante, die geeignet ist, ein Gradientenindex-Brechzahlprofil in einer POF 1 durch Verwendung von Röntgen- oder Gammastrahlung zu erzeugen. Die beispielsweise von mehreren hochenergetischen Strahlenquellen 13, 13', 13" ausgehende Strahlung wird hier durch eine entsprechende Anzahl von Blenden 14, 14' bzw. 14'' geeigneter Geometrie geführt, um eine entsprechende Anzahl von schmalen Strahlenbündeln 15, 15' und 15'' auszublenden und sie radial in Richtung auf die Fasermittelachse 7 einzustrahlen. An der Schnittstelle der Strahlenbündel 16 wird durch die erhöhte Strahlungsintensität eine Brechzahlerhöhung erzeugt. Die POF 1 wird während der Bestrahlung in Richtung ihrer Längsachse vorwärts bewegt. Auch hier rotieren zur Erzielung des erforderlichen Brechzahlprofils die hochenergetischen Strahlenquellen 13, 13', 13'' mit den Blenden 14, 14' bzw. 14'' vorzugsweise um die Fasermittelachse 7 der POF 1.
Prinzipiell lasen sich auch nichtpolymere Materialien (beispielsweise Glas) auf die beschriebene Weise behandeln, sofern eine Brechzahländerung durch eine ionisierende Strahlung hervorgerufen werden kann.
Liste der Bezugszeichen
n
optische Brechzahl
n1
Kernbrechzahl der Faser als Lichtwellenleiter
n2
Mantelbrechzahl der Faser als Lichtwellenleiter: n2 < n1
nmax
maximale Kernbrechzahl bei parabolischem Brechzahlverlauf
r
radialer Abstand von der Fasermittelachse
a
Radius des Faserkerns
b
Radius der Gesamtfaser
0
Mittelpunkt der kreisförmigen Faserquerschnittsfläche
d
freie Faserlänge
1
POF
2
Hülse
3
reflektierende Oberfläche
5
Strahlungsquelle
6
Linse
7
Fasermittelachse
8, 8'
Kreisscheiben
9, 9'
konzentrische Öffnungen
10, 10'
Zylinderlinsen
11 bis 11'''
Haltesbege
12, 12'
stabförmige Strahlungsquellen
13, 13', 13''
hochenergetische Strahlungsquellen
14, 14', 14''
Blenden
15, 15', 15''
Strahlenbündel
16
Schnittstelle der Strahlenbündel

Claims (12)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Gradientenindex-Brechzahlprofilen in polymeren optischen Fasern, dadurch gekennzeichnet,
    daß entweder eine polymere optische Faser, oder deren Vorform oder Faserkern-Vorform (1) während eines Vorschubs entlang der Fasermittelachse (7) bei vorgegebener Geschwindigkeit einer ionisierender Strahlung vorbestimmter Dosis und Wellenlänge ausgesetzt wird,
    daß dabei die räumliche Verteilung der Intensität der ionisierenden Strahlung in der polymere optische Faser, oder deren Vorform oder Faserkern-Vorform (1) auf der gesamten bestrahlten Länge durch ein System aus optischen Elementen definiert vorgegeben wird, wobei die Bestrahlung rotationssymmetrisch erfolgt, und
    daß anschließend die polymere optische Faser, oder deren Vorform oder Faserkern-Vorform (1) für eine vorbestimmte Zeit bei einer vorbestimmten Temperatur derart getempert wird, daß sich die Brechzahl der bestrahlten Bereiche dergestalt ändert, so daß ein einheitliches, radiales Gradientenindex-Brechzahlprofil ausbildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß entweder die polymere optische Faser, oder deren Vorform oder Faserkern-Vorform (1) eine rotierende Bewegung um einen vorbestimmten Winkel um die Fasermittelachse (7) ausführt oder
    daß das System aus optischen Elementen, zusammen mit einer oder mehreren Strahlungsquellen um die Fasermittelachse (7) um einen vorbestimmten Winkel rotiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß als ionisierende Strahlung elektromagnetische Strahlung verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als ionisierende Strahlung Partikelstrahlung verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus optischen Elementen aus einer oder mehreren reflektierenden Oberflächen (3) gebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus optischen Elementen aus einer oder mehreren Linsen (6) gebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus optischen Elementen aus einer oder mehreren Zylinderlinsen (10, 10') gebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus optischen Elementen aus einer oder mehreren Blenden (14, 14', 14'') gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet,
    daß durch spezielle Zusätze zum Ausgangsmaterial der polymere optische Faser, deren Vorform oder Faserkern-Vorform (1) die Geschwindigkeit der Brechzahländerung beeinflußt wird und,
    daß durch spezielle Zusätze zum Augangsmaterial der polymere optische Faser, deren Vorform oder Faserkern-Vorform (1) der Verlauf des Brechzahlprofils beeinflußt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch spezielle Zusätze zum Ausgangsmaterial der polymere optische Faser, deren Vorform oder Faserkern-Vorform (1) die Dämpfung gezielt beeinflußt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch spezielle Zusätze zum Ausgangsmaterial der polymere optische Faser, deren Vorform oder Faserkern-Vorform (1) oder durch spätere Eindiffussion solcher Zusätze und nachfolgender Bestrahlung passive und/oder aktive Steuerungselemente in der Faser erzeugt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch spezielle Zusätze zum Ausgangsmaterial der polymere optische Faser, deren Vorform oder Faserkern-Vorform (1) die Wellenlänge oder die Wirkung der Partikelart der ionisierenden Strahlung beeinflußt wird, die zur Erzeugung der Brechzahländerung notwendig ist.
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